[Opinion] 광활한 우주 속 정돈된 법칙 - 코스모스 ① [도서]

글 입력 2021.01.21 12:19
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<코스모스>는 1980년 10월 12일 출간된 과학 대중 서적으로, 천문학자 칼 세이건의 저서이다.

 

칼 세이건은 NASA 우주 탐사 계획에서 자문을 담당했으며, 외계 생명체 탐사와 탐사 계획 등에 참여하고 천문학을 널리 알린 공로로 미 천문학회에서 상을 받았다. 시카고 대학교에서 박사 학위를 받았고, 코넬 대학교 석좌 교수, 행성 연구소 소장 등을 지냈다. 이 업적 덕에 냉전 시절에도 구소련 과학 아카데미에서 주는 상을 받기도 했다.


그는 대중이 쉽게 이해할 수 있는 용어를 사용하고, 과학자로서 최대한 진실에 따르는 한도 내에서 자신의 의견을 넣어 책을 썼다. 1976년에 집필이 시작된 책은 전 세계에 번역, 출판되어 천문학을 대중화하는 데 큰 공을 세웠다.

 


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“코스모스”는 정연한 질서로서의 세계를 나타내는 그리스어다. 그 반대말은 세계 생성 이전의 혼돈을 나타내는 카오스다. 코스모스는 원래 정돈, 장식, 질서를 의미하는 말로, 옷이나 화장으로 장식한 상태나 군대나 사회의 규율이나 질서를 표현하기 위해서 사용되었다. 이후에 자연계의 질서 정연함, 더 나아가 세계의 질서 또는 질서가 관철된 세계 그 자체를 표현하는 말로 변화하였다.

 

 

우리가 살면서 일어날 확률이 그렇게 낮은 일이 일어나는 것을 본다면 우리는 그 일에 매혹될 수밖에 없을 것이다. 이런 의미에서 사람이 살고 있는 이 세상은 참으로 고귀한 것이라고 단언할 수 있다.

 

 

700여 페이지에 달하는 과학책을 읽는 데에는 큰 결심이 필요했다. 매일 100 페이지씩 읽어 일주일 정도 소요되었다. 책을 다 읽고나서는 얻게된 지식이 굉장히 많았음에도 내가 이렇게 과학에 무지했구나를 깨달았다.

 

 

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글을 쓰기 위해 인상깊었던 몇가지 부분만 추렸는데도 10장이 훌쩍 넘어갔다. 그 중 첫 번째로 우주를 탐구했던 과학자를 만나보자.

 

 

 

3장 <지상과 천상의 하모니>


 

케플러의 법칙으로 유명한 요하네스 케플러는 1571년 독일에서 태어났다. 그는 개신교 신학교에 들어가 성직자가 되는 교육을 받았는데 그는 성경공부를 하기보다는 코스모스를 창조한 신의 의중을 궁금해했다. 그는 세상의 종말에 대해, 세상에 관해 연구하길 원했다.

 

그는 튀빙겐 대학교에서 코페르니쿠스의 가설, 태양 중심의 우주관을 처음 접한다. 학교를 졸업한 이후에는 시골 중학교의 수학 교수가 되어 수학을 가르치며 우주에 관한 연구를 계속했다.

 


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당시 알려진 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성이 전부였는데 케플러는 왜 행성이 하필 여섯 개인지 궁금해했다. 그는 평범한 사람들은 전혀 궁금해하지 않았던 태양계 구조의 근본에 질문을 던졌다. 또한, 행성 간의 간격이 정다면체의 수학적 특성과 연관돼 있을 것으로 추측했다. 그는 자신의 가설을 “코스모스의 신비”라고 불렀다.


그리고 이것을 증명하기 위해 튀코 브라헤의 관측 자료를 사용하길 원했다. 하지만 튀코 브라헤는 파티나 향락을 좋아했던 사람으로 케플러에게 자료를 쉽게 넘겨주지 않았다. 그가 죽기 전에서야 케플러에게 자신의 관측 자료를 케플러에게 넘겨주었고 황실 수학자의 자리도 넘겨주었다.


하지만 그의 자료도 자신의 가설을 뒷받침해주지 못했고 이후에는 천왕성, 해왕성, 명왕성 등이 발견되면서 코스모스의 신비는 완전히 잘못된 가설로 판명되었다. 케플러는 이에 전혀 좌절하지 않고 오히려 더 많은 위성이 발견되기를 기대한다.

 


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케플러는 이후에 화성의 궤도를 연구하기 시작한다. 기원전 6세기부터 케플러까지 모든 천문학자는 원이 완벽한 기하학적 도형이므로, 행성들은 마땅히 원 궤도를 따라 돌아야 한다고 믿었다. 케플러도 원형 궤도에 해당하는 수치로 가정하고 연구를 시작하지만, 튀코 브라헤의 관측값에서 큰 오차를 보이자 원 궤도는 환상이라는 것을 깨닫는다.

 

타원의 공식을 이용해 분석을 다시 시도하자 튀코 브라헤의 관측값과 일치했고 화성이 타원 궤도를 따라 돈다는 사실을 증명해냈다. 이후 케플러는 행성과 태양 사이의 거리가 가까울수록 행성은 더 빠른 속도로 움직인다 등의 케플러 법칙을 발견할 수 있었다.

 

케플러는 자신의 오류를 받아들이고 진리를 위해 연구에 매진했다.

 

 

케플러는 자신이 수행한 긴 계산과정을 따라가다가 혹시 지루하다고 불평할지 모르는 독자들을 위해서 이런 메모를 하나 남겨 뒀다-이 지루한 과정에 진력이 나시거든, 이런 계산을 적어도 70번 해본 저를 생각하시고 참아 주십시오.

 

 

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케플러는 프라하에서 터진 전쟁 당시 “교리 문제에 관해 너무 강경하게 개인의 주장을 폈다”라는 이유로 루터파로부터 파문당한다. 케플러의 어머니는 마녀의 누명을 쓰기도 했고 말년의 케플러는 재정 지원처를 모두 상실해 후원자를 구하러 다니곤 했다.


 

나의 책을 요즘 사람이 읽든 아니면 후세인들만이 읽든, 나는 크게 상관하지 않으련다. 단 한 사람의 독자를 만나기까지 100년을 기다린다 해도 나는 결코 서운하지 않을 것이다. 우리 신께서는 당신을 증거할 이를 만나기까지 6,000년을 기다리지 않으셨던가?

 

 

케플러는 우주의 법칙을 밝혀내기 위해 한 몸을 바친 사람이다. 그로 인해 천문학 연구가 발전할 수 있었으며 그가 발견한 과학적 탐구는 400여 년이 지난 지금까지 이어지고 있다.

 

 

 

5장 <붉은 행성을 위한 블루스> & 6장 <여행자가 들려준 이야기>


 

화성은 지구에서 관측할 수 있는 가장 가까운 행성이다. 하늘에 떠다니는 구름, 흙먼지, 계절에 따라 변하는 붉은 지표면, 하루가 24시간인 것까지 지구를 닮았다.

 

그래서 지구인들은 화성에 생명이 존재하기 바랐고 혹시나 인간이 화성에서 살 수 있지 않을까 기대하기도 했다. 영화 <마션>에서는 화성에 표류한 우주비행사가 화성에 농사를 짓고 살아가는 스토리가 진행된다.


1890년대 퍼시벨 로웰은 화성 생명의 존재를 입증하기 위한 연구를 시작한다. 그는 애리조나주 도시의 한 언덕에 천문대를 건설하고 망원경을 통해 보이는 화성의 모습을 스케치했다. 로웰의 공책은 그가 본 화성의 특징들로 가득했다. 그는 자신이 보고 있는 그물 같은 것이 극관에서 녹아내린 물을 적도에 사는 시민들에게 수송해주는 용수로 시스템이라고 믿었다. 그리고 지구인과 다른 종족이 살고 있다고 믿었다.

 


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반대로 앨프리드 러셀 월리스는 화성에 생명 거주가 불가능하다는 태도였다. 화성의 평균 기온은 지구보다 아주 낮았고 표면 바로 아래가 영구 동토층일 것이라 계산했다. 대기 또한 희박하며 운하가 존재한다 해도 쨍쨍한 하늘에 노출되어 모두 증발해버릴 것으로 생각했다.


실제로 바이킹호를 보내보자 로웰이 운하로 착각한 곳에는 어두운 반점이나 연결된 운석공들조차 없었다. 탐사선이 바라본 화성은 생명의 징조라고는 아무것도 존재하지 않는 곳이었다. 운석공이나 알파벳 B를 잠시 발견한 것은 그림자가 부린 장난과 패턴을 만들어 인식하고자 하는 인간의 성향 탓이었다.

 

하지만 로웰의 기대나 바이킹호의 탐사가 무용지물로 돌아간 것은 아니다. 바이킹호는 화성의 토양을 가지고 미생물학 실험을 진행했다. 미생물학적 존재를 받아들일 확실한 증거는 밝혀지지 않았으나 다른 행성에서 생명체를 찾아본 첫 번째 시도였다. 또한 우주선이 지구가 아닌 다른 행성에서 수 시간 이상 작동할 수 있던 최초의 경우였다. 게다가 지질학, 지진학, 광물학, 기상학 등 과학 분야에서 외계의 데이터를 수확해냈다.

 


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칼 세이건은 “과학은 자유로운 탐구 정신에서 자생적으로 성장했으며 자유로운 탐구가 곧 과학의 목적이다. 어떤 가설이든 그것이 아무리 이상하더라도 그 가설이 지니는 장점을 잘 따져봐 주어야 한다.”라고 말한다.


천동설이 중심이던 시대에선 지동설이 터무니없는 것이었고, 화성에 생명이 없다는 게 밝혀진 지금은 그들의 기대가 우스워 보일 수도 있다. 하지만 어떠한 가설이든 그 가설을 천천히 살펴보고 근거로 판단해야 한다는 과학자의 열린 자세가 인상 깊다.


 

어느 행성에서 생명을 찾으려고 할 때 우리는 일련의 가정을 하지만... 노력에는 한계가 있다. 우리가 상세하게 알고 있는 생명은 오로지 지구의 것이기 때문이다.

 

 

그렇다면 이제는 화성 뒤에 자리한 목성으로 가보자.

 

목성은 지구형 행성과 완전히 다른 형태의 행성이다. 목성의 크기는 지구와 같은 행성이 1,000개가 충분히 들어갈 정도로 크다. 목성의 위성이 수성과 비슷할 정도다. 목성 대기의 주성분은 수소, 헬륨, 메탄, 수증기, 암모니아 등으로 목성을 비롯한 거대 기체 행성들에서 공통적으로 드러나는 기체 성분이다.


지구형 행성에서는 고체 표면이 있기 때문에 대기권의 바닥이 뚜렷하게 정해진다. 그러나 목성 같은 거대 기체 행성의 대기권은 바닥이 존재하지 않는다. 구름 덩어리들이 떠도는 가스층 뿐이다. 표면이 존재하지 않는다면 생물이 어떻게 존재할 수 있을까? 우리는 쉽게 상상할 수 없다.


칼 세이건은 이러한 연구 결과를 가져왔다. 거대 행성이라는 조건에서 살아남을 방법은, 대기권 아래쪽이 매우 뜨겁기 때문에 아래쪽으로 내려가지 않게 조심해야 한다는 것을 상기하자. 생명체는대기권 아래로 내려가기 전에 재빨리 번식해 후손의 일부가 상승 기류를 타고 대기권의 서늘한 곳으로 이동해 갈 수 있게 만든다. 후손들이 대기권의 상승 기류를 타고 움직일 수 있으려면 그 생물들의 덩치는 작아야 한다. 이러한 생물의 이름은 ‘추’(sinker)다.

 

 

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목성 속 추와 찌의 상상도

 

 

다른 생물이 존재할 수도 있다. 그것은 '찌'(floater)이다. 커다란 수소 풍선 같은 생물은 헬륨과 그보다 무거운 기체는 자신의 몸 밖으로 내보내고 몸 안은 가벼운 수소 기체로 채운다. 그들은 섭취한 먹이에서 얻은 에너지를 이용하고 온도를 유지함으로써 부력을 얻는다. '찌'들은 원래부터 있는 유기 물질을 섭취하거나, 유기물질을 만들 수도 있다.


 

'찌'는 크면 클수록 효율적일 것이기 때문에 그들은 거대한 무리를 지어 떠다닐 것이다. '찌'는 로켓처럼 기체를 분출하며 이곳저곳을 이동할 수도 있다.

 


세이건의 설명을 듣는다고 해서 '찌'와 '추'가 완전히 이해되지는 않지만, 표면이 없는 행성에 둥둥 떠다니는 생명체라니! '찌'와 '추'를 생각하고 나니 우리가 여태껏 상상하던 에일리언의 모습은 지구인에서 크게 벗어나지 않은 것 같다.

 

 

 

8장 <시간과 공간을 가르는 여행>


 

우리는 빛의 속도라는 말을 자주 사용하곤 한다. 그러나 빛의 속도를 실감할 수 있는 사람은 아무도 없다. 하지만 우주는 그것보다 훨씬 넓어서 우리는 우주를 측정할 때 빛의 속도를 단위로 사용한다. 그것이 바로 '광년'이다. 예를 들어 우리 은하에서 가장 가까운 나선 은하인 안드로메다자리의 별 M31까지는 200만 광년이나 된다. 오늘 우리가 M31에서 보는 빛이 지구를 출발했을 당시는 200만 년 전으로, 당시 지구에는 인간이 존재하지 않았을 정도다.


이것은 실생활에서도 적용된다. 같은 방 안에서 나와 떨어져 앉은 친구를 본다면 나는 사실 그의 지금 모습이 아니라 1억분의 1초 전의 모습을 보고 있다.

 

우리는 언젠가 광속에 버금가는 속도로 움직일 수 있을까? 우리가 빛보다 빠르게 움직일 수 있을까?

 

*

 

아인슈타인을 모르는 사람은 없을 것이다. 어렸을 때 그는 베른슈타인의 <대중을 위한 자연과학>에 푹 빠져있었다. 그는 이 책을 읽고 빛의 속도로 이동할 수 있다면 세상이 어떻게 보일 것인지에 대해 깊이 고민했다. 하지만 빛의 속도로 움직이면 이런저런 모순들이 생긴다는 사실을 깨달았다.


예를 들어 “두 사건이 동시에 발생했다”라고 말할 때 동시에라는 말은 무엇을 의미할까?

 

동시성 패러독스를 살펴보자. 관찰자는 사거리의 남쪽에 서 있고 자전거 한 대는 북쪽에서 접근한다. 자전거에 반사된 빛은 빛이기 때문에 자전거보다 훨씬 빠른 속도로 남쪽의 관찰자에게 접근한다. 한편 사거리 서쪽의 마차도 중앙으로 접근한다. 마차에 반사된 빛도 빠르게 움직인다.

 


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자전거는 자신의 오른쪽에서 다가오는 마차를 보고서 핸들을 튼다. 그런데 만약 자전거의 속도에 빛의 속도를 더하면 자전거에 반사된 빛이 마차의 빛보다 일찍 관찰자에게 도착할 것이다. 그렇다면 관찰자는 자전거가 부딪칠 마차가 없는데도 핸들을 틀었다고 생각할 것이다. 하지만 분명 마차와 자전거는 부딪칠 뻔했다.


어떻게 동일한 사건이 관찰자와 당사자에게 다르게 인식될 수 있을까?

 

아인슈타인은 이 규칙들을 특수 상대성 이론으로 정리했다. 어떤 물체(자전거)에서 반사되거나 방출된 빛은 그 물체가 움직이든 움직이지 않든 상관없이(자전거가 관찰자 쪽으로 온다고 해도) 동일한 속도(빛의 속도 만으)로 진행한다.

 

 

그대는 그대의 속도를 빛의 속도에 더하지 말지어다.

 

 

그러므로 어떤 물체도 빛보다 빠르게 움직일 수 없다.


 

그대는 빛의 속도로나 빛의 속도보다 빨리 움직여서는 아니 되느니라.

 


예를 들어 빛의 속도의 99.9%까지는 도달할 수 있어도 100%까지 움직일 수는 없다.


상대성 이론은 상황마다 다른 것을 의미하는 것 같지만 우주를 보는 데 있어서 모든 장소가 공평하다는 것을 의미한다. 특수 상대성 이론은 아인슈타인이 20대 중반에 혼자서 수립한 이론이다. 이후 실험에서 그 정당성이 입증되었다.

 

하지만 만약 누군가가 광속 이상의 속도를 내면서 동시성의 패러독스를 맞닥뜨리지 않는다면 새로운 이론을 발명할 수도 있다.

 

 

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넓은 우주를 여행하기 위해선 빛의 속도에 가까워져야 한다. 분명 빛의 속도로 여행하는 것은 이론상 가능하지만, 여러 문제점이 있다. 우주선은 광속과 비슷한 속도를 유지했으므로 우주선 안의 인간들에게는 시간이 느리게 흐른다. 하지만 우주선 밖의 사람들에게는 그렇지 않다. 이론상으로는 우주를 56년이면 돌 수 있다. 이것은 우주선 안의 시간이고 물론 지구인에게는 수백억 년이 걸린다.

 

우주여행에서 돌아올 때쯤이면 지구가 없어졌을 것이며 태양은 빛을 더는 방출할 수 없을 것이다. 게다가 우리가 광속의 우주여행에 성공했다 해도 지구에 있는 사람은 알 수 없다. 지구에 있는 사람들에게 어떤 정보도 광속 이상의 속력으로 내보낼 수 없기 때문이다.

 

 


9장 <별들의 삶과 죽음>


 

태양은 지구에서 가장 가까운 별이다. 태양이 내놓는 복사는 전파 대역부터 짧게는 엑스선 대역까지 이른다. 태양은 수소와 헬륨으로 구성된 고온의 기체 덩어리며 가열되어있기 때문에 빛을 낼 수 있다. 태양은 중심핵에서 매초 생산되는 에너지가 표면에서 매초 방출되는 에너지와 같도록 속도를 조절한다. 그래서 태양은 지금까지 대략 50억 년 동안 평행 상태를 유지해왔다.


밤하늘의 별들은 반짝반짝 빛을 낸다. 별들이 빛을 낼 수 있는 것은 별 내부에서 태양처럼 핵융합 반응이 이루어지고 있기 때문이다. 하지만 핵융합 반응이 영원할 수는 없다. 핵융합이 끝나면 별은 어떻게 될까? 별의 진화는 별이 얼마나 큰 질량을 가지고 있느냐에 따라 결정된다.

 

 

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지금으로부터 50억 년 후 태양은 중앙부에 있는 수소가 모두 헬륨으로 변화해 중앙에선 수소 핵융합 반응이 멈춘다. 대신 중심 바깥에는 수소가 남아있어 이곳에서 수소 핵융합이 되고 중심핵이 수축한다.

 

수축이 진행될수록 중심핵에 위치한 헬륨의 온도와 밀도가 상승하면서 헬륨 핵융합이 시작된다. 외부에선 수소가 타고, 중심에는 헬륨이 연소 중이니 외부가 급격히 팽창하고 온도는 하강한다. 태양이 적색 거성으로 바뀌는 과정이다. 거대해진 태양은 수성과 금성을 집어삼키고 지구까지 품에 넣어버린다.


태양이 변화하면서 지구는 남극, 북극조차 땀이 흘러내리는 날씨로 변화할 것이다. 바다가 끓어올라 물이 모두 증발하고 대기마저 완전히 증발한다. 세이건은 이러한 불상사 이전에 인류가 다른 형태로 진화하거나, 태양의 진화 속도를 조정하거나, 지구를 버리고 다른 곳으로 떠났을지도 모른다고 말한다.


시간이 더 흘러 태양의 내부가 탄소와 산소로 채워지는 시기에는, 핵융합 반응이 더 진행되지 않는다. 대략 1000년을 주기로 팽창과 수축을 느리게 반복하다가 자신의 대기층을 나누어 우주로 뱉어버린다. 명왕성의 궤도보다 더 먼 바깥에 쌍가락지를 만들어 놓을 것이다.

 

태양은 식으면서 수축을 계속하고 고밀도로 수축한다. 숟가락 하나 분의 질량이 1톤에 이르는 백색 왜성으로, 그 뒤에는 흑색 왜성으로 사라진다.


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혹시 태양같은 별이 초신성이 되면 그 주위의 생명체들은 어떻게 해야 할까?

 

세이건은 그것이 불가능하다고 말하고 있다. 초신성이 될 수 있는 별은 질량이 훨씬 커야하며, 중심부도 태양보다 훨씬 고압, 고온의 상태이기 때문이다. 이렇게 질량이 큰 별들은 수소, 헬륨 변환 과정을 수백만 년 안에 마치고 더 격렬한 핵융합 단계로 이행한다. 그렇다면 그 별 주위의 행성에서 생명이 탄생해 고등 지능을 갖춘 존재로 진화할 시간이 부족하다.

 

그러므로 외계 생물들이 자신의 별이 초신성이 될 것이라고 예측하는 것은 불가능하다. 초신성이 무엇인지 이해할 수 있을 정도라면, 그 별이 애초에 초신성이 될 수가 없기 때문이다.

 

초신성이 블랙홀이나 중성자 별로 변모하는 과정은 다음 편에서 살펴보도록 하겠다.

 

 

 

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[오지윤 에디터]



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